Італійські астрономи змоделювали, як за секунду після Великого вибуху виникли чорні діри

Міжнародна команда науковців зі Школи вищих досліджень SISSA (Італія), у співпраці з INFN, IFPU та Варшавським університетом, опублікувала дослідження в журналі Phys­i­cal Review D, у якому описала можливе формування щільних гало частинок менш ніж за секунду після Великого вибуху. Ці структури могли колапсувати в первинні чорні діри, бозонні зорі або так звані канібальські зорі — ще до появи перших атомів.

Вчені виходили з гіпотези про існування короткої ранньої ери домінування матерії (Ear­ly Mat­ter-Dom­i­nat­ed Era, EMDE), що настала невдовзі після інфляції — миттєвого розширення Всесвіту. У цей період частинки могли тимчасово переважати над випромінюванням, утворюючи локальні скупчення — гало. Якщо частинки взаємодіяли між собою, це могло призводити до гравітотермального колапсу, внаслідок якого виникали компактні об’єкти.

Серед таких об’єктів могли з’явитися канібальські зорі — небесні тіла, схожі на звичайні зорі, але з енергією, що походить не від термоядерних реакцій, а від самоанігіляції частинок. Інший можливий тип — бозонні зорі, які утримуються завдяки квантовим властивостям частинок-бозонів. За оцінками дослідників, ці зорі могли існувати лише кілька секунд, перш ніж перетворитися на первинні чорні діри, або ж чорні діри формувалися безпосередньо з колапсу гало.

Частка щільності темної матерії в PBH fBH, як функція маси PBH MBH, для фіксованого набору параметрів λ = 10- 1 , Trh = 100 MeV та arh/a₁ = 1015. Червона лінія. Джерело: Phys­i­cal Review D (2025). DOI: 10.1103/xpwl-w5zk

Розрахунки показали, що маса гало під час EMDE могла бути меншою за 10²⁸ грамів. Після колапсу вони породжували ще менші чорні діри. У деяких сценаріях таких об’єктів утворювалося надто багато, що суперечить сучасним спостереженням. В інших випадках формувалися чорні діри з масою, близькою до астероїдної, які потенційно можуть становити всю темну матерію у Всесвіті. Найменші з них могли випаруватися ще до первинного нуклеосинтезу — появи перших атомів водню та гелію.

Автори дослідження зазначають, що їхня модель не лише пояснює можливі механізми формування перших чорних дір, а й відкриває нові напрями для космології. Подібні процеси, на їхню думку, можуть відбуватися й сьогодні — у гало темної матерії, де за певних умов могли б виникати сучасні канібальські або бозонні зорі. Подальше вивчення цих моделей може допомогти зрозуміти, як із простих взаємодій частинок сформувалися складні структури, що визначили сучасний вигляд Всесвіту.